專利名稱：功率變換器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及隔離功率變換器系統(tǒng)，更具體地說，涉及利用 布置在集成電路芯片上的微型變壓器將功率穿過隔離障礙傳遞的改 進(jìn)型功率變換器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的隔離功率變換器系統(tǒng)通常依靠具有磁芯的分立變壓器和 整流器電路中的分立二極管，將功率穿過隔離障礙傳遞。但是，變壓 器磁芯的尺寸使功率變換器系統(tǒng)不能布置在集成電路芯片上。尺寸小 并且可以布置在芯片上的微型變壓器例如"空芯"變壓器經(jīng)常被用來 將數(shù)據(jù)穿過隔離障礙傳遞。這種微型變壓器的例子公開在美國專利No. 6291907，以及于2002年8月8日提交的序列號(hào)為No. 10/214883的并且 于2003年3月6日在美國公開文本No. 2003/0042571中公開的美國專利 申請(qǐng)中，這兩件申請(qǐng)的受讓人和發(fā)明人相同，這里并入作為參考。但 是，傳統(tǒng)的功率變換器系統(tǒng)不用微型變壓器來將功率穿過隔離障礙傳 遞，這是由于不能產(chǎn)生足夠高的頻率來防止微型變壓器飽和。傳統(tǒng)的 隔離功率變換器系統(tǒng)還要經(jīng)受高頻下顯著的開關(guān)損耗。為了解決上述 問題，傳統(tǒng)的功率變換系統(tǒng)要求復(fù)雜、昂貴、低效、不可靠并且不易 重復(fù)的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)過大以至于不能安裝在集成電路芯片上。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供改進(jìn)的功率變換器系統(tǒng)。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使用了微型變壓器的功率變換器系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供被布置在集成電路芯片上的功率變 換器系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使用了較少的芯片空間的功率變換 器系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供不太復(fù)雜的功率變換器系統(tǒng)。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供不太昂貴的功率變換器系統(tǒng)。 本發(fā)明的另 一個(gè)目的是提供減少了開關(guān)損耗的功率變換器系統(tǒng)。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供更可靠的功率變換器系統(tǒng)。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供容易重復(fù)的功率變換器系統(tǒng)。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供效率更高的功率變換器系統(tǒng)。 本發(fā)明是源于實(shí)現(xiàn)了使用微型變壓器并且可以布置在集成電路
芯片上的改進(jìn)的功率變換器系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高效LC振蕩器電路， 用于提供足夠高的頻率以防止微型變壓器飽和并減少開關(guān)損耗；整流 器電路，耦合到LC振蕩器電路，用于提供直流輸出；振蕩器驅(qū)動(dòng)電 路，用于驅(qū)動(dòng)LC振蕩器電路；以及開關(guān)電路，通常由固定頻率脈寬 調(diào)制信號(hào)或輸入數(shù)據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，用于使能和禁止振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，使 得LC振蕩器電路對(duì)到達(dá)整流器電路的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
但是，在其他實(shí)施例中，本發(fā)明不需要實(shí)現(xiàn)所有這些目的，并且， 這里的權(quán)利要求不應(yīng)該局限于能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的的結(jié)構(gòu)或方法。
本發(fā)明的特征在于功率變換器系統(tǒng)包括LC振蕩器電路。振蕩器 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)LC振蕩器電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。整流器電路耦合到LC振蕩器 電路，用于提供直流輸出。開關(guān)電路對(duì)振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的占空比進(jìn)行 控制，以調(diào)節(jié)LC振蕩器電路中的、到達(dá)整流器電路的功率。
在一個(gè)實(shí)施例中，LC振蕩器電路的電容可以包括振蕩器驅(qū)動(dòng)電 路的寄生電容。振蕩器驅(qū)動(dòng)電路可以包括一對(duì)交叉耦合的正反饋開 關(guān)。整流器電路可以包括整流器。整流器電路可以包括電容濾波器。
開關(guān)電路可以響應(yīng)于來自整流器電路的輸出而被驅(qū)動(dòng)。整流器電路可
以通過變壓器耦合到LC振蕩器電路，變壓器具有連接到振蕩器驅(qū)動(dòng) 電路的一次繞組和連接到整流器電路的二次繞組。變壓器可以是隔離 變壓器。變壓器可以是微型變壓器。微型變壓器、LC振蕩器電路、 振蕩器驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)電路可以在集成電路芯片上。微型變壓器和整 流器電路可以在集成電路芯片上。微型變壓器可以是空芯微型變壓 器。微型變壓器可以具有至少一個(gè)在底板上形成的繞組。LC振蕩器 電路可以在其諧振頻率運(yùn)行。振蕩器驅(qū)動(dòng)電路可以包括兩對(duì)交叉耦合 的正反饋開關(guān)。
本發(fā)明的特征還在于功率變換器系統(tǒng)包括LC振蕩器電路。振蕩 器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LC振蕩器電路。變壓器包括一次繞組， 一次繞組包 括LC振蕩器電路的電感。開關(guān)電路控制振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的占空比以 調(diào)節(jié)LC振蕩器電路和變壓器的二次繞組中的功率。
在一個(gè)實(shí)施例中，LC振蕩器電路的電容可以包括振蕩器驅(qū)動(dòng)電 路的寄生電容。振蕩器驅(qū)動(dòng)電路可以包括一對(duì)交叉耦合的正反饋開 關(guān)。系統(tǒng)還可以包括耦合到變壓器的二次繞組的整流器電路。整流器 電路可以包括電容濾波器。開關(guān)電路可以響應(yīng)于來自整流器電路的輸 出而被驅(qū)動(dòng)。變壓器可以是隔離變壓器。變壓器可以是微型變壓器。 微型變壓器、LC振蕩器電路、振蕩器驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)電路可以在集 成電路芯片上。微型變壓器可以是空芯微型變壓器。微型變壓器可以 具有至少一個(gè)在底板上形成的繞組。LC振蕩器電路可以在其諧振頻 率運(yùn)行。振蕩器驅(qū)動(dòng)電路可以包括兩對(duì)交叉耦合的正反饋開關(guān)。開關(guān) 電路可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。功率變換器系統(tǒng)還可以包括反饋 電路，耦合在變壓器的二次繞組與開關(guān)電路之間。反饋電路可以通過 整流器電路耦合到二次繞組。反饋電路可以包括比較器電路，用于對(duì) 整流器電路的輸出與參考信號(hào)進(jìn)行比較，以確定整流器電路輸出的波 動(dòng)。反饋電路還可以包括第二變壓器。第二變壓器可以是隔離變壓器。 第二變壓器還可以是微型變壓器，并且，第二變壓器可以在集成電路 芯片上。第二微型變壓器可以是空芯微型變壓器。第二微型變壓器可
以具有至少一個(gè)在底板上形成的繞組。第二微型變壓器可以包括編石馬
器和解碼器，其中編碼器連接在比較器電路的輸出與第二變壓器的 一次繞組之間，對(duì)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)；解碼器連接在第二變壓器 的二次繞組與開關(guān)電路之間。反饋電路可以包括固定頻率脈寬調(diào)制發(fā) 生器。微型變壓器可以包括連接到整流器的中心抽頭二次繞組。整流 器可以是多電平整流器。系統(tǒng)還可以包括信號(hào)隔離電路，信號(hào)隔離電 路具有對(duì)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)的第二變壓器。系統(tǒng)還可以包括前饋 驅(qū)動(dòng)器電路，用于根據(jù)輸入信號(hào)的頻率確定預(yù)定輸出電壓，并且在實(shí) 現(xiàn)預(yù)定輸出電壓所需要的預(yù)定時(shí)間內(nèi)使能開關(guān)電路。輸入數(shù)據(jù)信號(hào)可 以包括FET信號(hào)。第二變壓器可以是隔離變壓器。第二變壓器可以 是微型變壓器。第二變壓器具有至少一個(gè)在底板上形成的繞組。第 二變壓器可以是空芯微型變壓器。信號(hào)隔離器電路可以包括編碼器和 解碼器，其中編碼器連接到第二變壓器的一次繞組，對(duì)輸入數(shù)據(jù)信
號(hào)進(jìn)行響應(yīng)；解碼器連接到第二變壓器的二次繞組和比較器?？梢杂?傳遞到變壓器的二次繞組的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路。系統(tǒng)可以包 括連接到整流器的輸出的線性調(diào)節(jié)器電路。線性調(diào)節(jié)器可以包括用于 對(duì)輸出電壓與預(yù)定參考電壓進(jìn)行比較的比較器和對(duì)比較器進(jìn)行響應(yīng) 以調(diào)節(jié)輸出電壓的開關(guān)。功率變換器系統(tǒng)可以是非隔離的。


根據(jù)以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例和附圖的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白
其他目的、特性和優(yōu)點(diǎn)，其中
圖1為典型的現(xiàn)有技術(shù)的隔離功率變換器系統(tǒng)的電路圖2為本發(fā)明的功率變換器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的電路圖3示出了由圖2所示的功率變換器系統(tǒng)生成的各種波形；
圖4為本發(fā)明的、在反饋電路中使用了脈寬調(diào)制發(fā)生器的功率變
換器系統(tǒng)的另 一個(gè)實(shí)施例的電路圖5為本發(fā)明的、與圖4所示的系統(tǒng)相似的功率變換器系統(tǒng)的另
一個(gè)實(shí)施例的電路圖，其中，微型變壓器的二次繞組為中心抽頭式；
圖6為本發(fā)明的功率變換器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的電路圖，它包括
前饋電路和開關(guān)電路，前饋電路和開關(guān)電路都對(duì)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響
應(yīng)，并且，該實(shí)施例使用了前饋電路；
圖7示出了由圖6所示的功率變換器系統(tǒng)生成的各種波形；
圖8為本發(fā)明的功率變換器系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的電路圖，其
中，去除了圖6中示出的前饋電路；
圖9示出了由圖8所示的功率變換器系統(tǒng)生成的各種波形；
圖IO為本發(fā)明的、使用了線性調(diào)節(jié)器的功率變換器系統(tǒng)的一個(gè)
實(shí)施例的電路圖；并且
圖11為示出了本發(fā)明的功率變換器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的電路
圖，它是非隔離的。
具體實(shí)施例方式
除了以下公開的優(yōu)選實(shí)施例以外，本發(fā)明可以有其他實(shí)施例，并 且，本發(fā)明可以按照不同方式進(jìn)行或?qū)嵤Ｒ虼藨?yīng)該理解，本發(fā)明不 限于在以下描述中呈現(xiàn)的或在附圖中示出的、在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和部件布置 細(xì)節(jié)方面的應(yīng)用。如果這里只描述了一個(gè)實(shí)施例，則其權(quán)利要求不限 于該實(shí)施例。此外，除非有證明特定排除、限制或棄權(quán)的清楚且可信 的證據(jù)以外，不應(yīng)該限制性地讀取有關(guān)的權(quán)利要求。
圖1所示的傳統(tǒng)的隔離功率變換系統(tǒng)10通常包括驅(qū)動(dòng)分立變壓 器20的開關(guān)12(MP1)、 14(MP2)、 16(M一和18(MN2)。變壓器20包括 磁芯22(Trl)、 一次繞組24和二次繞組26。系統(tǒng)10包括通過線路29 和31耦合到二次繞組26的、提供直流輸出的全橋整流器電路28和 濾波器32。如以上在背景部分討論的，變壓器20的磁芯22太大，以 至不能布置在集成電路芯片上。
在運(yùn)行中，開關(guān)12(Mw)和18(MN2)的導(dǎo)通時(shí)間為第一預(yù)選擇時(shí) 間DT，其中，D為常數(shù)，該常數(shù)為輸出電壓對(duì)輸入電壓的函數(shù)，T 為周期。開關(guān)16(Mm)和18(MN2)的導(dǎo)通時(shí)間為第二預(yù)選擇時(shí)間，例如 (l-D)T，從而完成半個(gè)周期。此后，開關(guān)14(Mp2)和16(Mm)的導(dǎo)通時(shí)
間為等于DT的第二持續(xù)時(shí)間，然后，開關(guān)12(Mh)和14(Mp2)導(dǎo)通， 從而完成該周期。因?yàn)橹辉趦蓚€(gè)DT時(shí)間段傳遞功率，因此通過控制 常數(shù)D確定傳統(tǒng)的隔離功率變換系統(tǒng)10的電壓或功率傳遞。由于在 第一個(gè)DT期間，不僅給負(fù)載提供電流，而且吸收附加電流以給磁化 電感充電，因此需要第二個(gè)半周期。在第二個(gè)DT中，磁化電感放電。 微型變壓器通常具有小電感(L)和大串聯(lián)電阻(R)，因此L/R很小。因 此，要求現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)10的DT小于L/R，否則，串聯(lián)電阻兩邊的 IR電壓降會(huì)導(dǎo)致微型變壓器出現(xiàn)電流飽和。但是，傳統(tǒng)的隔離功率變 換器系統(tǒng)10不能產(chǎn)生足夠高的頻率以防止微型變壓器飽和。此外， 由于開關(guān)12-18以很高的頻率接通和斷開，因此，產(chǎn)生顯著的開關(guān)損 耗。隨著DT減小和頻率增加，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)10必須有更復(fù)雜的設(shè) 計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)是不可靠的、不易重復(fù)的、昂貴的，并且體積4艮大， 因而不適合安裝集成電路芯片上。
圖2的本發(fā)明的功率變換器系統(tǒng)40通過使用提供足夠高頻率以 防止微型變壓器飽和以及開關(guān)損耗的LC振蕩器電路，克服了與傳統(tǒng) 的隔離功率變換器系統(tǒng)有關(guān)的問題。由振蕩器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LC振蕩 器電路，振蕩器驅(qū)動(dòng)電路對(duì)有選擇地使能和禁止振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的開 關(guān)電路進(jìn)行響應(yīng)，使得LC振蕩器電路對(duì)到達(dá)整流器電路的功率進(jìn)行 高效且有效的調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的功率變換器系統(tǒng)40包括LC振蕩器電路42，它具有與 電容器75(C1)并聯(lián)連接的電感73。理想情況下，系統(tǒng)40包括孩t型變 壓器72,微型變壓器72具有一次繞組74和二次繞組76。最好，一 次繞組74包括LC振蕩器電路42的電感73。理想情況下，微型變壓 器72包括至少一個(gè)在底板上形成的繞組，例如，微型變壓器72為如 以上討論的空芯微型變壓器。LC振蕩器電路42在甚高頻下運(yùn)行，例 如，大約10 MHz到100 MHz，并且，最好在其諧振頻率下運(yùn)4亍以防 止微型變壓器72飽和以及開關(guān)損耗(以下討論)。振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44 包括開關(guān)46(QMw)和開關(guān)48(QMP2)，例如，PMOS或NMOS型器件， 并且對(duì)LC振蕩器電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 一般通過線路47和49將開關(guān)
46(QMpO和48(QMp2)配置為交叉耦合正反饋。在優(yōu)選設(shè)計(jì)中，振蕩 器驅(qū)動(dòng)電路44還包括開關(guān)50(QMm)和開關(guān)52(QMN2)，相4以地通過對(duì) 振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的線路51和53連接成交叉耦合反饋。 具有二極管62、 64、 66和68的整流器電路58通過線路77和79耦 合到LC振蕩器電路42，例如，耦合到微型變壓器72的二次繞組， 并且通過線路90向節(jié)點(diǎn)60提供直流輸出。整流器電路58可以包括 電容濾波器70。
開關(guān)電路54連接到輸入電壓，例如，Vdd80，并且，響應(yīng)于線 路130的脈寬調(diào)制(PWM)，控制振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44的占空比，以對(duì) LC振蕩器電路42中到達(dá)整流器電路58的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。線路132 上的作用于開關(guān)電路54的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)最好來自整流器電路 58的輸出(以下討論)。開關(guān)電路54對(duì)振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44進(jìn)行控制， 以確定使能和禁止LC振蕩器電路42的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。因此，功率 總是處在最大效率，并且，調(diào)制的平均功率受LC振蕩器電路42的導(dǎo) 通時(shí)間的平均值控制。因此，當(dāng)輸出電壓低時(shí)，使能LC振蕩器電路 42并振蕩，而當(dāng)輸出電壓過高時(shí)，禁止LC振蕩器電路42(以下討論)。
LC振蕩器電路42的電容通常包括電容器75(Cl)和振蕩器驅(qū)動(dòng) 電路44的寄生電容，例如與開關(guān)46(QMw)和48(QMp2)和/或開關(guān) 50(QMw)和開關(guān)52(QMN2)中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的電容。在優(yōu)選設(shè)計(jì)中， 將微型變壓器72、 LC振蕩器電路42、振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44和開關(guān)電 路54布置在集成芯片上。
結(jié)果是，本發(fā)明的功率變換器系統(tǒng)40提供足夠高的頻率以防止 微型變壓器72飽和，并且，減少了開關(guān)46(QMpO和48(QMp2)和/或 開關(guān)50(QMm)和開關(guān)52(QMN2)的開關(guān)損耗。在設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)40 較簡(jiǎn)單，因此更可靠、高效、易于重復(fù)，使用了較小的芯片空間，并 且比傳統(tǒng)功率系統(tǒng)成本低。通常將系統(tǒng)40布置在集成電路芯片上。
功率變換器系統(tǒng)40優(yōu)選地包括耦合在微型變壓器72的二次繞組 76與開關(guān)電路54之間的反饋電路82。分壓器電路91包括電阻器94 和96，它們使線路卯上的、輸入到比較器84的輸出電壓成比例變化。
比較器84將在節(jié)點(diǎn)92處的、成比例下降的輸出電壓與由參考電源裝 置88在線路86上生成的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)節(jié)點(diǎn)92處的電壓小 于線路86上的參考電壓時(shí)，比較器84使能開關(guān)電路54。開關(guān)電路 54對(duì)使能LC振蕩器電路42的振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44的占空比進(jìn)行控制， 以對(duì)從一次繞組74到耦合到整流器電路58的二次繞組76的功率進(jìn) 行調(diào)節(jié)。因此，整流器電路58和濾波器70將使通過線路卯到達(dá)節(jié) 點(diǎn)60的輸出電壓增加。相似地，當(dāng)節(jié)點(diǎn)92處的電壓大于線路86上 的參考電壓時(shí)，比較器84禁止開關(guān)電路54。因此，振蕩器驅(qū)動(dòng)電路 44將不再驅(qū)動(dòng)LC振蕩器電路42,并且，由整流器電路58生成的輸 出電壓將減小(以下詳細(xì)討論)。
優(yōu)選地，反饋電路82包括第二微型變壓器110，例如以上討論 的空芯微型變壓器，它使比較器84的輸出能夠跨過隔離障礙。微型 變壓器110包括一次繞組112和二次繞組114。編碼器116通過線路 117連接到一次繞組，并且對(duì)線路98上的、比較器84的輸出做出響 應(yīng)。解碼器118通過線路119連接到二次繞組。比較器84、編碼器 116、微型變壓器110和解碼器118 —起在線路132上生成對(duì)開關(guān)電 路54進(jìn)行控制的低頻脈寬調(diào)制信號(hào)。
以下參照?qǐng)D3中的波形，對(duì)功率變換器系統(tǒng)40和反饋電路82 的運(yùn)行進(jìn)行描述。圖3的輸出電壓信號(hào)115示出了圖2的節(jié)點(diǎn)60處 的輸出電壓的例子。比較器84將節(jié)點(diǎn)92處的、改變了比例的輸出電 壓與例如圖3的121處表示的5伏的預(yù)定參考電壓進(jìn)行比較。如113 處所示，當(dāng)輸出電壓低于預(yù)定參考電壓時(shí)，比較器84生成比較器輸 出信號(hào)120的邏輯高電平122。邏輯高電平122使編碼器116生成編 碼信號(hào)125的雙脈沖124。雙脈沖124被提供給變壓器110的一次繞 組112并被傳遞到二次繞組114。解碼器118對(duì)編碼信號(hào)125的雙脈 沖124進(jìn)行響應(yīng)，并生成對(duì)開關(guān)電路54進(jìn)行控制的解碼信號(hào)140的 邏輯低電平143。由解碼器118生成的邏輯低電平使開關(guān)電路54閉合。 當(dāng)開關(guān)電路54閉合時(shí)，振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44使能LC振蕩器電路42。 因此，LC振蕩器電路42在微型變壓器72的一次繞組74上生成例如
10-100 MHz的高頻振蕩信號(hào)，如一次振蕩信號(hào)150的脈沖串152所 示。 一次繞組74上的高頻振蕩信號(hào)被提供給二次繞組76，如二次振 蕩信號(hào)154的脈沖串156所示。只要輸出電壓保持低于預(yù)定參考電壓， LC振蕩器電路42就繼續(xù)生成高頻脈沖串152,使得LC振蕩器電路 42中的功率被調(diào)節(jié)到微型變壓器72的二次繞組76和整流器電路58。 整流器電路58將使節(jié)點(diǎn)60處的輸出電壓增加，直到它超過輸出電壓 信號(hào)115上的126處表示的預(yù)定參考電壓為止。
當(dāng)圖2的節(jié)點(diǎn)60處的輸出電壓超過圖3的126處表示的預(yù)定參 考電壓時(shí)，圖2的比較器84生成輸入到編碼器116的比較器輸出信 號(hào)120的邏輯低電平128。邏輯低電平128使編碼器116輸出編碼信 號(hào)125的單個(gè)脈沖130。由編碼器116生成的單個(gè)脈沖130使解碼器 118生成解碼信號(hào)140的邏輯高電平144。邏輯高電平144禁止開關(guān) 電路54(使開關(guān)電路54開路)。當(dāng)開關(guān)電路54被開路時(shí)，振蕩器驅(qū)動(dòng) 電路44不再驅(qū)動(dòng)LC振蕩器電路42。因此，LC振蕩器電路42不再 生成一次繞組74上的振蕩信號(hào)，如一次振蕩信號(hào)150的160處所示。 因此，二次繞組76不再接收振蕩信號(hào)，如162處所示，并且，節(jié)點(diǎn) 60處的輸出電壓減小，如131處所示。
圖4的功率變換器系統(tǒng)40a，其中相同的部件用相同的數(shù)字表示， 包括反饋電路82a，反饋電路82a通過將線路171上的經(jīng)過放大的誤 差電壓與線路163上的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，生成固定頻率脈寬調(diào)制 信號(hào)以驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路54。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，鋸齒波發(fā)生器161通過線路 163輸出被輸入到比較器84的鋸齒信號(hào)。放大器170對(duì)節(jié)點(diǎn)92處的 比例改變的輸出電壓與線路86上的預(yù)定參考電壓進(jìn)行放大，從而在 線路171生成放大器誤差電壓信號(hào)。比較器84將線路171上的誤差 電壓信號(hào)與線路163上的鋸齒波發(fā)生信號(hào)進(jìn)行比較，從而在線路98 上生成輸入到編碼器116的固定頻率脈寬調(diào)制信號(hào)。編碼器116、微 型變壓器IIO和解碼器118的功能與上述相似，在線路132上生成對(duì) 開關(guān)的電路54進(jìn)行控制的低頻脈寬調(diào)制信號(hào)。
圖5的功率變換器系統(tǒng)40b，其中相同的部件用相同的數(shù)字表示，
在設(shè)計(jì)上與功率變換器系統(tǒng)40a相似，除了在本例中，微型變壓器72 的二次繞組76在190處被中心抽頭并且被耦合到整流器電路58和節(jié) 點(diǎn)92。整流器電路58為半橋整流器并且只包括二極管62和64。
圖6的功率變換器系統(tǒng)40c，其中相同的部件用相同的數(shù)字表示， 包括與上述相似的振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44和LC振蕩器電路42。系統(tǒng)40c 還包括具有一次繞組74和二次繞組76的微型變壓器72， 二次繞組 76在202和204處被中心抽頭到多電平整流器電路58a。多電平整流 器電路58a通常包括分別并聯(lián)連接到電容器240、 242和244的正向 偏置二極管206、 208和210。在該設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)40c包括信號(hào)隔離電 路200,它包括第二變壓器272，例如，如上所述的隔離變壓器或微 型變壓器。信號(hào)隔離電路200對(duì)線路220上的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)如FET 驅(qū)動(dòng)信號(hào)(FET IN)或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何類型的輸入數(shù)據(jù)信 號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。系統(tǒng)40c還包括對(duì)線路220上的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng) 的前饋驅(qū)動(dòng)器電路230，它根據(jù)線路220上的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率確 定由整流器電路58a生成的預(yù)定輸出電壓，例如5V、 IOV、 15V等， 通過使能開關(guān)電路54預(yù)定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)期望的輸出電壓。如上所述， 當(dāng)線路220上的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率很高時(shí)，使能開關(guān)電路54的時(shí) 間越長(zhǎng)，調(diào)制到二次繞組76和整流器電路58a的功率越多。相似地， 當(dāng)線路220上的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率很低時(shí)，使能開關(guān)電路54的時(shí) 間縮短，導(dǎo)致由整流器電路58a產(chǎn)生的功率減小。如以上討論的，開 關(guān)電路54通常連接到輸入電壓Vdd 80，并且對(duì)振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44 的占空比進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)LC振蕩器電路42中到達(dá)整流器電路 58a的功率。
信號(hào)隔離器電路200通常包括編碼器270，它對(duì)線路272上的輸 入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。編碼器270給第二微型變壓器274的一次繞組 272提供編碼信號(hào)。 一次繞組272上的編碼信號(hào)傳遞到二次繞組276。 解碼器278接收解碼數(shù)據(jù)信號(hào)并且在線路280上生成輸入到放大器 282和電平轉(zhuǎn)換器(level shifter) 284的解碼信號(hào)。放大器286對(duì)電 平轉(zhuǎn)換器284的輸出進(jìn)行放大。電平轉(zhuǎn)換器284和放大器286將解碼
器278輸出的、線路280的電壓從大約0V到5V的范圍轉(zhuǎn)換到大約 10V到15V的范圍。所產(chǎn)生的在293處表示的輸出信號(hào)，例如FET OUT,為FETIN的延遲版本，通常約為15伏。因此，系統(tǒng)40c4吏功 率和數(shù)據(jù)都越過隔離障礙傳輸。
以下參照?qǐng)D7所示的波形，對(duì)功率變換器系統(tǒng)40c的運(yùn)行進(jìn)行描 述。圖7中的FET IN信號(hào)示出了圖6中的線路220上的、輸入到編 碼器270和前饋驅(qū)動(dòng)器電路230的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)FET IN的例子。驅(qū) 動(dòng)器輸出信號(hào)300示出了對(duì)開關(guān)電路54進(jìn)行控制的前饋驅(qū)動(dòng)器電路 230生成的輸出信號(hào)的例子。通常，驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)300被反相、延 遲，并且周期為FETIN信號(hào)299的一半。在運(yùn)行中，如301處所示， 當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)300為邏輯低電平時(shí)，開關(guān)電路54閉合，振蕩器 驅(qū)動(dòng)器電路44使LC振蕩器電路42以高頻振蕩，例如，約10到100 MHz,約+5V和-5V，從而如上所述，防止微型變壓器72飽和，并且 調(diào)節(jié)微型變壓器72的二次繞組76的功率。 一次振蕩信號(hào)302的脈沖 串304示出了由LC振蕩電路42在一次繞組74上生成的振蕩信號(hào)的 例子。 一次振蕩信號(hào)302的脈沖串304被調(diào)制到二次繞組76， 二次繞 組76被中心抽頭到多電平整流器58a，多電平整流器58a具有正向偏 置二極管206 210，正向偏置二極管206-210并聯(lián)連接到分別在節(jié)點(diǎn) 260、262、264處提供穩(wěn)定電壓例如5V、10V和15V的電容器240-244。 當(dāng)FET IN信號(hào)299為邏輯高電平時(shí)，即320處表示的FET IN信號(hào) 299，編碼器270生成編碼信號(hào)323的雙脈沖322。由解碼器278生成 的雙脈沖322被傳遞過微型變壓器274的一次繞組272，到達(dá)二次繞 組276和解碼器278。解碼器278生成具有大約在0V與5V之間的邏 輯高電平342的解碼輸出信號(hào)340。如電平轉(zhuǎn)換信號(hào)350所示，電平 轉(zhuǎn)換器284將解碼輸出信號(hào)340的輸出從大約0V和5V轉(zhuǎn)換到大約 10V和15V。所得到的FET輸出信號(hào)360為解碼信號(hào)340與電平轉(zhuǎn)換 信號(hào)350的組合，通常在大約0V與15V之間。
圖8的功率變換器系統(tǒng)40d，其中相同的部件用相同的數(shù)字表示， 與圖6的功率變換器系統(tǒng)40c的設(shè)計(jì)相似，并且，對(duì)線路220上的輸
入數(shù)據(jù)信號(hào)的響應(yīng)相似。但是，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，取消了圖6中所示的 信號(hào)隔離電路200。圖8的線路220上的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)被從變壓器72 的一次繞組74傳遞到二次繞組76。在本例中，由線路220上的輸入 數(shù)據(jù)信號(hào)直接控制開關(guān)電路54。由輸入信號(hào)的邏輯狀態(tài)確定開關(guān)電路 54的通/斷狀態(tài)，例如，如果開關(guān)裝置54包括PMOS元件，則邏輯高 電平使開關(guān)元件54導(dǎo)通，而邏輯低電平使開關(guān)元件54關(guān)斷。與參照 圖6描述的相似，二次繞組76在202和204處^皮中心抽頭，并且4皮 分別連接到具有并聯(lián)連接到電容器240 244的正向偏置二極管 206-208的整流器58a。 二次繞組76還被連接到與并聯(lián)的電容412和 電阻器413相關(guān)聯(lián)的附加正向偏置二極管410。具有電容器240 244 和412的正向偏置二極管206-208和410在節(jié)點(diǎn)260、 262和264處 按照預(yù)定電壓例如5V、 10V和15V提供穩(wěn)定電壓輸出。節(jié)點(diǎn)430處 的+5V電壓驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載413，并且還通過線路402提供給電平轉(zhuǎn)換 器284。放大器286提供10V與15V之間的電壓。放大器282還對(duì)節(jié) 點(diǎn)430處的電壓做出響應(yīng)，并且生成大約OV與5V之間的輸出電壓。 因此，系統(tǒng)40d將功率和輸入數(shù)據(jù)信號(hào)都傳遞過隔離障礙。
以下參照?qǐng)D9所示的波形，對(duì)功率變換器系統(tǒng)40d的運(yùn)行進(jìn)4亍描 述。當(dāng)如FETIN信號(hào)420的邏輯低電平422示出的、圖8的線路220 上的FETIN信號(hào)為邏輯低電平時(shí)，開關(guān)電路54閉合，并且振蕩器驅(qū) 動(dòng)器電路44使LC振蕩器電路42生成一次振蕩信號(hào)424的脈沖串 425。脈沖串425被調(diào)制到微型變壓器72的二次繞組76，微型變壓器 72的二次繞組76耦合到具有正向偏置二極管208-210和410的整流 器電路58a。節(jié)點(diǎn)430處的輸出電壓被輸入到放大器282，放大器282 生成在432處表示的、紋波很小的輸出電壓信號(hào)434。節(jié)點(diǎn)430處的 電壓被輸入到電平轉(zhuǎn)換器286，電平轉(zhuǎn)換器286生成大約在OV與15V 之間的電平轉(zhuǎn)換信號(hào)444。FET輸出信號(hào)446示出了線路295上的FET 輸出的例子。所得到的FET輸出信號(hào)在大約15V與OV之間。FET 輸出信號(hào)450示出了放大器282的輸出。
圖10的功率變換器系統(tǒng)40e，其中相同的部件用相同的數(shù)字表
示，包括線性調(diào)節(jié)器400，線性調(diào)節(jié)器400包括比較器401,比較器 401對(duì)節(jié)點(diǎn)406處的比例可變的輸出電壓與線路408上例如5V的預(yù) 定參考電壓進(jìn)行比較。線性調(diào)節(jié)器400還包括對(duì)比較器401進(jìn)行響應(yīng) 的開關(guān)404，開關(guān)404對(duì)節(jié)點(diǎn)416處的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖11的功率變換器系統(tǒng)40e，其中相同的部件用相同的數(shù)字表 示，為按照本發(fā)明的非隔離功率變換器系統(tǒng)的例子。系統(tǒng)40e包括開 關(guān)電路54a,例如受452處表示的輸入電壓Vcontrol控制的MOSFET 或相似類型的元件，用于驅(qū)動(dòng)振蕩器驅(qū)動(dòng)電路44，振蕩器驅(qū)動(dòng)電路 44使能和禁止LC振蕩器電路42a。 LC振蕩器電路42a包括電感器 454和456以及電容器455。 LC振蕩器電路42a凈皮耦合到整流器電路 58和濾波器70，并且起與上述相似的作用。
盡管在某些附圖中示出了本發(fā)明的特征，而在另一些附圖中沒有 示出這些特征，但是，由于按照本發(fā)明，每個(gè)特征可以與任何或所有 其他特征相結(jié)合，因此這僅僅是為了方便。這里使用的詞匯"包括"和 "具有，，應(yīng)該被廣泛、全面地理解，而不局限于任<何物理相互聯(lián)系。此 外，在主題申請(qǐng)中公開的任何實(shí)施例不應(yīng)該被理解為只可能的實(shí)施 例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白其他實(shí)施例，并且，其他實(shí)施例在以 下的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
此外，在本專利的專利申請(qǐng)過程中出現(xiàn)的任何修改不是對(duì)提交時(shí) 在申請(qǐng)中出現(xiàn)的任何權(quán)利要求要素表示放棄權(quán)利沒有理由預(yù)期本領(lǐng) 域的技術(shù)人員撰寫字面上包含所有可能等同物的權(quán)利要求，在修改 時(shí)，許多等同物是不可預(yù)料的，并且超出了對(duì)要棄權(quán)的內(nèi)容(如果有的 話)的公平理解，對(duì)于許多等同物，修改的原理可能只具有次要關(guān)系， 并且/或者，對(duì)關(guān)于任何經(jīng)過修改的權(quán)利要求要素，有許多不能預(yù)期申 請(qǐng)人描述某些非實(shí)質(zhì)的替換的其他理由。
權(quán)利要求
1. 一種功率變換器系統(tǒng)，包括LC振蕩器電路；振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)所述LC振蕩器電路；整流器電路，耦合到所述LC振蕩器電路，用于提供直流輸出；以及開關(guān)電路，用于控制所述振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的占空比，以調(diào)節(jié)所述LC振蕩器電路中到達(dá)所述整流器電路的功率。
2. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述LC振蕩器 電路的電容包括所述振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的寄生電容。
3. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述振蕩器驅(qū)動(dòng) 電路包括一對(duì)交叉耦合的正反饋開關(guān)。
4. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述整流器電路 包括整流器。
5. 如權(quán)利要求4所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述整流器電路 包括電容濾波器。
6. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，響應(yīng)于來自所述 整流器電路的輸出，對(duì)所述開關(guān)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述整流器電路 通過變壓器耦合到所述LC振蕩器電路，所述變壓器具有連接到所述 振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的 一次繞組和連接到所述整流器電路的二次繞組。
8. 如權(quán)利要求7所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述變壓器為隔 離變壓器。
9. 如權(quán)利要求8所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述變壓器為微 型變壓器。
10. 如權(quán)利要求9所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述微型變壓 器、所述LC振蕩器電路、所述振蕩器驅(qū)動(dòng)電路和所述開關(guān)電路在集 成電路芯片上。
11. 如權(quán)利要求9所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述微型變壓 器和所述整流器電路在集成電路芯片上。
12. 如權(quán)利要求9所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述微型變壓 器為空芯微型變壓器。
13. 如權(quán)利要求12所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述微型變壓 器具有至少一個(gè)在底板上形成的繞組。
14. 如權(quán)利要求1所迷的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述LC振蕩 器電路在其諧振頻率運(yùn)行。
15. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述振蕩器驅(qū) 動(dòng)電路包括兩對(duì)交叉耦合的正反饋開關(guān)。
16. —種功率變換器系統(tǒng)，包括 LC振蕩器電路；振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)所述LC振蕩器電路； 變壓器，包括一次繞組，所述一次繞組包括所述LC振蕩器電路 的電感；以及開關(guān)電路，用于控制所述振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的占空比，以調(diào)節(jié)所述 LC振蕩器電路中到達(dá)所述變壓器的二次繞組的功率。
17. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述LC振蕩 器電路的電容包括所述振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的寄生電容。
18. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述振蕩器驅(qū) 動(dòng)電路包括一對(duì)交叉耦合的正反饋開關(guān)。
19. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，還包括整流器電路， 耦合到所述變壓器的所述二次繞組。
20. 如權(quán)利要求19所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述整流器電 路包括電容濾波器。
21. 如權(quán)利要求19所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，響應(yīng)于來自所 述整流器電路的輸出，對(duì)所述開關(guān)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
22. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述變壓器為 隔離變壓器。
23. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述變壓器為 微型變壓器。
24. 如權(quán)利要求23所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述微型變壓 器、所述LC振蕩器電路、所述振蕩器驅(qū)動(dòng)電路和所述開關(guān)電路在集 成電路芯片上。
25. 如權(quán)利要求23所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述微型變壓 器為空芯微型變壓器。
26. 如權(quán)利要求23所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述微型變壓 器具有至少一個(gè)在底板上形成的繞組。
27. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述LC振蕩 器電路在其諧振頻率運(yùn)行。
28. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述振蕩器驅(qū) 動(dòng)電路包括兩對(duì)交叉耦合的正反饋開關(guān)。
29. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)電路 對(duì)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。
30. 如權(quán)利要求29所述的功率變換器系統(tǒng)，還包括反饋電路，耦 合在所述變壓器的所述二次繞組與所述開關(guān)電路之間。
31. 如權(quán)利要求30所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述反饋電路 通過所述整流器電路耦合到所述二次繞組。
32. 如權(quán)利要求31所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述反饋電路 包括比較器電路，用于對(duì)所述整流器電路的輸出與參考信號(hào)進(jìn)行比 較，以確定所述整流器電路輸出中的波動(dòng)。
33. 如權(quán)利要求32所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述反饋電路 包括第二變壓器。
34. 如權(quán)利要求33所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述第二變壓 器為隔離變壓器。
35. 如權(quán)利要求34所迷的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述第二變壓 器為微型變壓器，并且，所述第二變壓器在集成電路芯片上。
36. 如權(quán)利要求35所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述第二微型 變壓器為空芯微型變壓器。
37. 如權(quán)利要求36所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述第二微型 變壓器具有至少一個(gè)在底板上形成的繞組。
38. 如權(quán)利要求33所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述反饋電路 包括編碼器和解碼器，所述編碼器連接在所述比較器電路的輸出與所 述第二變壓器的一次繞組之間，對(duì)所述輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，而所 述解碼器連接在所述第二變壓器的二次繞組與所述開關(guān)電路之間。
39. 如權(quán)利要求31所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述反饋電路 包括固定頻率脈寬調(diào)制發(fā)生器。
40. 如權(quán)利要求31所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述微型變壓 器包括連接到所述整流器的中心抽頭二次繞組。
41. 如權(quán)利要求31所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述整流器為 多電平整流器。
42. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，還包括信號(hào)隔離器電 路，具有對(duì)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)的第二變壓器。
43. 如權(quán)利要求42所述的功率變換器系統(tǒng)，還包括前饋驅(qū)動(dòng)器電 路，對(duì)所述輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，用于根據(jù)所述輸入信號(hào)的頻率確 定由所述整流器電路生成的預(yù)定輸出電壓，并且在實(shí)現(xiàn)所述預(yù)定輸出 電壓所需要的預(yù)定時(shí)間內(nèi)使能所述開關(guān)電路。
44. 如權(quán)利要求43所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述輸入數(shù)據(jù) 信號(hào)包括FET驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
45. 如權(quán)利要求42所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述第二變壓 器為隔離變壓器。
46. 如權(quán)利要求45所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述第二變壓 器為微型變壓器。
47. 如權(quán)利要求46所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述第二微型 變壓器為空芯微型變壓器。
48. 如權(quán)利要求46所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述第二微型 變壓器具有至少一個(gè)在底板上形成的繞組。
49. 如權(quán)利要求47所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)隔離 器電路包括編碼器和解碼器，所述編碼器連接到所述第二變壓器的一 次繞組，對(duì)所述輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，而所述解碼器連接到所述第 二變壓器的二次繞組和比較器。
50. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)電路 由傳遞到所述變壓器的所述二次繞組的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。
51. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，還包括線性調(diào)節(jié)器電 路，連接到所述整流器的輸出。
52. 如權(quán)利要求51所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述線性調(diào)節(jié) 器包括比較器和開關(guān)，所述比較器用于對(duì)輸出電壓與預(yù)定參考電壓進(jìn) 行比較，而所述開關(guān)對(duì)所述比較器進(jìn)行響應(yīng)以調(diào)節(jié)輸出電壓。
53. 如權(quán)利要求16所述的功率變換器系統(tǒng)，其中，所述功率變換 器系統(tǒng)是非隔離的。
全文摘要
一種功率變換器系統(tǒng)，包括LC振蕩器電路；振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)LC振蕩器電路；整流器電路，耦合到LC振蕩器電路，用于提供直流輸出；以及開關(guān)電路，用于控制振蕩器驅(qū)動(dòng)電路的占空比以調(diào)節(jié)LC振蕩器電路和整流器電路中的功率。
文檔編號(hào)G05F1/00GK101395554SQ200780007603
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者羅恩·克利格, 陳寶興 申請(qǐng)人:阿納洛格裝置公司